多尺度协同优化框架L-FAI：不确定条件下灌溉分配与肥料管理的跨尺度协同机制研究

面对全球水资源短缺与粮食安全挑战，本研究集成多目标优化、水肥调控模型和大系统分解协调理论，开发了基于"优化-验证"迭代循环的多尺度灌溉优化框架L-FAI。该模型通过三级参数传递机制，实现田间尺度水肥响应、行政层级经济传导与灌区公平反馈的动态耦合，在中国查哈阳灌区的应用表明：系统层面节水12.8%（2.28×107 m3），经济效益提升11%（8.22亿元），基尼系数降至0.25；效率层面针对水稻、玉米、大豆的差异化灌溉方案使产量提升3.5-4.5%，水肥利用效率提高10-15%；气候韧性层面极端水文条件下灌溉效率仍提升10%而产量波动<3%。该研究为农业水资源韧性高效管理提供了理论技术支撑。

　　

在全球水资源短缺与粮食安全双重挑战下，农业灌溉用水占全球淡水取水量的70%，而到2050年全球灌溉需求还需增长11%才能养活91亿人口。当前农业水资源分配面临三大困境：粮食需求激增导致供水紧张、水资源短缺加剧、以及提升生产力的迫切需求。传统灌溉管理存在单尺度优化局限，既难以协调灌区整体效率与农户个体利益，又无法应对作物生长周期内动态需水特性，更缺乏对气候变化下极端水文事件的适应性调控能力。

针对这些系统性难题，中国的研究人员创新性地提出了跨尺度协同优化框架L-FAI（Large-scale system decomposition-coordination based Framework for Agricultural Irrigation）。这项发表在《Agricultural Water Management》的研究，通过整合多目标优化、水肥调控模型和大系统分解协调理论，构建了包含田间尺度（F-Model）、行政尺度（A-Model）和灌区尺度（I-Model）的三级优化体系。研究团队采用NSGA-II和TOPSIS多目标决策算法，结合Stewart水肥生产函数和Gini系数公平性指标，在中国查哈阳灌区（CID）开展实证研究，建立了"参数传递-目标反馈"的动态耦合机制。

关键技术方法包括：1）基于田间水肥平衡方程和Stewart函数构建作物产量响应模型；2）采用NSGA-II算法求解产量、灌溉水生产率（WP_I）和灰色水足迹（F_grey）的多目标Pareto前沿；3）通过大系统分解协调理论实现三级模型迭代优化，设置λ₁=0.005和λ₂=0.005的收敛阈值；4）利用60年历史降水数据划分丰/平/枯水文年型进行不确定性分析。

田间尺度水肥调控机制
研究发现水稻采用"浅湿间歇"灌溉模式（水深0-50mm），生育期灌溉间隔3-5天，总氮量124.0kg/ha分蘖期和抽穗期两次追施，实现节水15%且增产3.5%；玉米在拔节-抽雄期集中70%灌水量（1598.7m³/ha），氮肥131.6kg/ha分两次施用，产量提升4.0%；大豆花期-鼓粒期灌溉（1447.8m³/ha）配合86.8kg/ha氮肥，利用深层根系特性使降雨利用率达70%，增产4.5%。

跨尺度资源协同分配
灌区总灌溉水量减少12.8%（2.28×10⁷m³）情况下，通过地表水优先约束（ξ=2.5）使地下水资源占比从43%降至22%。行政尺度经济收益达8.22亿元，其中大豆种植区（如LH、JB）单位水资源经济产出达4.27元/m³，较水旱复合区高62.3%。灌区尺度基尼系数降至0.25，实现"节水-增效-公平"三重协同。

气候韧性表现
在枯水年（P=75%）ET₀达628mm的极端条件下，模型通过动态调整旱作区滴灌策略和水稻区雨洪利用，仍保持灌溉效率10%的提升，产量波动控制在3%以内。

这项研究创新性地破解了农业水资源管理中长期存在的"系统完整性与局部适应性割裂"难题。通过建立三级反馈架构，首次揭示了水肥协同效应与跨尺度参数传递的耦合机制，为复杂农业系统的精准调控提供了范式转移。实践层面，研发的差异化灌溉方案（水稻浅灌、玉米雨养、大豆节水）可直接指导生产，而提出的"以地表水定规模、以经济价值调结构"分配原则，为区域水资源可持续管理提供了可操作的决策工具。未来研究可进一步耦合过程模型（如DSSAT）提升机理模拟精度，并将框架扩展至流域尺度以协调上下游用水权益。